專(zhuān)利名稱(chēng)：無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)闹谱鞣椒?br> 無(wú)線(xiàn)能量傳輸本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2007年6月11日、發(fā)明名稱(chēng)為“無(wú)線(xiàn)能量傳輸”的專(zhuān)利申請(qǐng) 200780053126. 3的分案申請(qǐng)。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本臨時(shí)申請(qǐng)涉及到2007年3月27日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)60/908383、2006年7 月7日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/481077以及2005年7月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng) 60/698442。在此通過(guò)引用將2006年7月7日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)11/481077和2005年 7月12日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)60/698442中的每一個(gè)的全文并入本文。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)涉及無(wú)線(xiàn)能量傳輸。可以在例如向獨(dú)立電氣或電子裝置供電的應(yīng)用中使用無(wú)線(xiàn)能量傳輸。全向天線(xiàn)的輻射模式(用于信息傳輸效果很好)不適于這種能量傳輸，這是因?yàn)榻^大多數(shù)能量都浪費(fèi)到自由空間中了。即使對(duì)于長(zhǎng)距離(傳輸距離Lteans >> Ldev，其中Ldev 是裝置和/或源的特征尺寸)來(lái)說(shuō)，也可以將使用激光或高定向性天線(xiàn)的定向輻射模式有效地用于能量傳輸，但對(duì)于移動(dòng)物體而言，該定向輻射模式要求視線(xiàn)無(wú)遮擋和復(fù)雜的跟蹤系統(tǒng)。一些傳輸方案依賴(lài)于感應(yīng)，但一般都限于非常近范圍(Lteans << Ldev)或小功率( mV)的能量傳輸。近年來(lái)獨(dú)立電子裝置的迅速發(fā)展(例如膝上型電腦、手機(jī)、家用機(jī)器人，它們一般都依賴(lài)于化學(xué)能量存儲(chǔ))已經(jīng)導(dǎo)致了越來(lái)越需要無(wú)線(xiàn)能量傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，可以將漸逝場(chǎng)模式限于局部區(qū)域的具有耦合諧振模式的諧振物體用于無(wú)線(xiàn)非輻射能量傳輸。盡管與其它非諧振的周?chē)矬w交互很微弱，但諧振物體往往會(huì)與周?chē)矬w耦合。通常，利用下述技術(shù)，隨著耦合增強(qiáng)，傳輸效率也增大。在一些實(shí)施例中，利用以下技術(shù)，能量傳輸率(速率)可以大于能量損耗率(速率)。因此，可以在諧振物體之間實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)線(xiàn)能量交換，同時(shí)僅有適度的能量會(huì)傳輸和耗散到其他非諧振物體中。近場(chǎng)的幾乎全向但穩(wěn)定(無(wú)損耗)的性質(zhì)使這種機(jī)制適于移動(dòng)無(wú)線(xiàn)接收機(jī)。因此， 各實(shí)施例具有很多可能的應(yīng)用，例如包括將源(例如連接到有線(xiàn)電網(wǎng)的源)放置于工廠(chǎng)房間的頂棚上，而裝置(機(jī)器人、車(chē)輛、計(jì)算機(jī)等)在房間內(nèi)自由漫游。其它應(yīng)用包括用于電動(dòng)公共汽車(chē)和/或混合動(dòng)力車(chē)和植入性醫(yī)療裝置的電源。在一些實(shí)施例中，諧振模式是所謂的磁諧振，對(duì)于磁諧振而言，諧振物體周?chē)拇蟛糠帜芰看鎯?chǔ)于磁場(chǎng)中，即在諧振物體外部?jī)H有非常小的電場(chǎng)。由于大部分日常材料(包括動(dòng)物、植物和人)都是非磁性的，因此它們與磁場(chǎng)的交互最小。這對(duì)于安全性以及減少與無(wú)關(guān)的周?chē)矬w交互而言都是重要的。在一個(gè)方面中，公開(kāi)了一種用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)脑O(shè)備，其包括第一諧振器結(jié)構(gòu)， 用于在大于第二諧振器結(jié)構(gòu)的特征尺寸L2的距離D上與第二諧振器結(jié)構(gòu)以非輻射方式傳輸能量。所述非輻射能量傳輸是通過(guò)耦合所述第一諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部 (evanescent tail)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部來(lái)實(shí)現(xiàn)的(mediated)。在一些實(shí)施例中，D還大于如下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)第一諧振器結(jié)構(gòu)的特征尺寸L1、第一諧振器結(jié)構(gòu)的特征寬度以及第一諧振器結(jié)構(gòu)的特征厚度。該設(shè)備可以包括以下特征中的任何特征，該任何特征指的是以下特征中的單個(gè)特征或以下特征中的特征的組合。在一些實(shí)施例中，所述第一諧振器結(jié)構(gòu)被配置成向所述第二諧振器結(jié)構(gòu)傳輸能量。在一些實(shí)施例中，所述第一諧振器結(jié)構(gòu)被配置成從所述第二諧振器結(jié)構(gòu)接收能量。在一些實(shí)施例中，所述設(shè)備包括所述第二諧振器結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，所述第一諧振器結(jié)構(gòu)具有諧振頻率ωρ Q因數(shù)A和諧振寬度 Γ ”所述第二諧振器結(jié)構(gòu)具有諧振頻率《2、Q因數(shù)( 和諧振寬度Γ 2，并且非輻射傳輸具有速率K。在一些實(shí)施例中，所述頻率CO1和ω 2大約位于所述諧振寬度^和「2中的較窄者之中。在一些實(shí)施例中，兌> 100 且 ％ > 100 ；仏 > 200 且 ％ > 200 > 500 且 ％ > 500 ；仏 > 1000 且 ％ > 1000。在一些實(shí)施例中，Q1 > 200 或 Gl2 > 200 > 500 或 ％ > 500 ； Q1 > 1000 或 Gl2 > 1000。在一些實(shí)施例中，耦合損耗比(couplingto loss ratio)>0"5‘
κ >2、 κ >5 ο λ/γα 或 Λ/ ^。在一些實(shí)施例中，D/L2可以大到等于2，大到等于3，大到等于5，大到等于7，大到等于10。在一些實(shí)施例中，Q1 > 1000, Q2 > 1000且耦合損耗比^^>1()。在一些實(shí)施例中，Q1 > 1000, Q2 > 1000且耦合損耗比7『>25。在一些實(shí)施例中，Q1 > 1000, Q2 > 1000且耦合損耗比^^>4()。在一些實(shí)施例中，所述能量傳輸?shù)男蕁w比大約大，比大約10%大，比大約 20%大，比大約30%大，或比大約80%大。在一些實(shí)施例中，所述能量傳輸?shù)妮椛鋼p耗Jlrad比大約10%小。在一些這樣的實(shí)施例中，所述耦合損耗比^^ ^01 °在一些實(shí)施例中，所述能量傳輸?shù)妮椛鋼p耗nMd比大約小。在一些這樣的實(shí)
κ >1
施例中，所述耦合損耗比^^ ζ ι。在一些實(shí)施例中，在距任一諧振物體的表面超過(guò)3cm的距離處有人的情況下，所
述能量傳輸由于人而造成的損耗nh比大約小。在一些這樣的實(shí)施例中，所述耦合損耗
κ >1 ^ λ/γα “ °在一些實(shí)施例中，在距任一諧振物體的表面超過(guò)IOcm的距離處有人的情況下，所述能量傳輸由于人而造成的損耗nh比大約0.2%小。在一些這樣的實(shí)施例中，所述耦合損
權(quán)利要求
1.一種用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)脑O(shè)備，所述設(shè)備包括第一諧振器結(jié)構(gòu)，所述第一諧振器結(jié)構(gòu)被配置成在距離D上與第二諧振器結(jié)構(gòu)以非輻射方式傳輸能量，所述距離D大于所述第一諧振器結(jié)構(gòu)的特征尺寸L1并且大于所述第二諧振器結(jié)構(gòu)的特征尺寸L2,其中非輻射能量傳輸是通過(guò)耦合所述第一諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所述設(shè)備還包括所述第二諧振器結(jié)構(gòu)，并且所述設(shè)備還包括用于以非輻射方式與所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)傳輸能量的第三諧振器結(jié)構(gòu)，其中所述第三諧振器結(jié)構(gòu)與所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)之間的非輻射能量傳輸是通過(guò)耦合所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)的諧振場(chǎng)漸逝尾部和所述第三諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第三諧振器結(jié)構(gòu)被配置成向所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)傳輸能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一諧振器結(jié)構(gòu)被配置成從所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)接收能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第三諧振器結(jié)構(gòu)被配置成從所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)之一接收能量并向所述第一諧振器結(jié)構(gòu)和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)中的另一個(gè)傳輸能量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述第一諧振器結(jié)構(gòu)具有諧振頻率ωρQ因數(shù)％和諧振寬度?！彼龅诙C振器結(jié)構(gòu)具有諧振頻率ω 2、Q因數(shù)( 和諧振寬度Γ2，以及非輻射傳輸具有速率κ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中Gj1> 100且％> 100。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中D/L2大到等于2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中D/L2大到等于3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中D/L2大到等于5。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述能量傳輸?shù)男蕁w比大約 10% 大。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述能量傳輸?shù)男蕁w比大約20%大。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，還包括功率源，所述功率源耦合到所述第一諧振器結(jié)構(gòu)并且被配置為以頻率f驅(qū)動(dòng)所述諧振器結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中f大約為IOOMHz或更低。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中f大約為IOKHz或更高。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中在工作期間，所述諧振器結(jié)構(gòu)之一從另一諧振器結(jié)構(gòu)接收可用功率Pw，其中Pw比大約1瓦大。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中Pw比大約10瓦大。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到16中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，還包括電耦合到所述第二諧振器結(jié)構(gòu)的電氣或電子裝置，使得所述裝置能夠從所述第二諧振器結(jié)構(gòu)接收能量。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述裝置包括移動(dòng)電子裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述裝置包括車(chē)輛。
20.根據(jù)權(quán)利要求1到19中的任一項(xiàng)所述的設(shè)備，還包括用于維持一個(gè)或多個(gè)所述諧振物體的諧振頻率的反饋機(jī)構(gòu)。
全文摘要
公開(kāi)了一種用于無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)脑O(shè)備，其包括第一諧振器結(jié)構(gòu)，用于在大于第二諧振器結(jié)構(gòu)的特征尺寸的距離上與第二諧振器結(jié)構(gòu)以非輻射方式傳輸能量。所述非輻射能量傳輸是通過(guò)耦合所述第一諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部和所述第二諧振器結(jié)構(gòu)的諧振場(chǎng)漸逝尾部來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102361358SQ201110311000
公開(kāi)日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者A·B·庫(kù)爾斯, A·卡拉里斯, J·D·瓊諾普洛斯, M·索亞契奇, P·H·費(fèi)希爾, R·莫法特 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院